專利名稱：腫瘤微波介入治療多天線熱場組合方法
技術領域：
本發明屬于多天線微波輻射熱場的組合方法，特別是多天線微波介入治療腫瘤的凝固熱場的組合方法。
本發明是這樣實現的1、模擬測量并通過組合方程式計算出單根輻射天線在不同輻射功率作用下的實時三維凝固熱場分布；2、以單根天線的實時三維熱場分布為基礎，對兩根以上天線按下述六種條件進行排列組合，建立計算機模型，利用有限元分析軟件求出微波不同條件下的三維凝固熱場分布數據庫，六種條件是A)、天線類型條件B)天線數量條件C)天線空間位置條件D)功率條件.E)、不同功率作用的時間條件F)、癌變組織的血流灌注率條件；3、將治療所需的溫度邊界條件進行三維重建后加入所述不同條件下的三維凝固熱場分布熱場數據庫中，并在計算機內形成六種條件下滿足上述溫度邊界條件的有效微波熱場數據庫，該數據庫包括凝固熱場的實時分布數據和各數據對應的凝固熱場三維圖譜。
上述測量可以是模擬測量，即建立對應組織體模的微波輻射實驗裝置，測出微波場下不同功率、時間和位置的溫度變化，并將實驗數據代入組合方程式；所述組合方程式是指生物傳熱方程與微波輻射能量SAR的分布函數方程。所述生物傳熱方程為ρcdT/dt＝Qr+KΔT-MbCb(T-Tb)＝SAR+KΔT-MbCb(T-Tb)其中ρ為組織密度(kg/m3)，c為比熱，T為溫度，t為時間，K為組織的導熱系數(W/m·℃)，Mb、Cb分別為血液的灌注率(kg/m3·s)和比熱(J/kg·℃)，Tb為該區域的動脈血溫(℃)。
所述微波輻射能量SAR的分布函數方程為SAR＝ρce-az[x0r3+x1r2+x2r+x3][cos(x5θ)+x4]經預實驗得知SAR分布函數為平面分布函數SAR＝ρCe-αz[X0r3+X1r2+X2r+X3]上述實時三維熱場分布對于功率為60W微波輻射的凝固熱場輻射能量SAR/ρc在微波天線中心點距天線尖端15mm的前向部分分布為2.2667×2.9e-0.3164r(-0.0002z3+0.0042z2-0.0344z+0.4864)微波天線中心點距另一端12mm的后向部分分布為20.2667×2.9e-0.3164(-0.00003z3+0.0013z2-0.0306z+0.4864)上述實時三維熱場分布對于功率為50W微波輻射的凝固熱場輻射能量SAR/ρc在微波天線中心點距天線尖端15mm的前向部分分布為1.4903×3.02e-0.3002r(8E-5z3-0.003z2+0.0091z+0.4152)微波天線中心點距另一端12mm的后向部分分布為1.4903×2.98e-0.3002r(4E-5z3-0.0012z2-0.0066z+0.4168)上述實時三維熱場分布對于功率為40W微波輻射的凝固熱場輻射能量SAR/ρc在微波天線中心點距天線尖端15mm的前向部分分布為1.1264×5.3e-0.2829r(0.0003z3-0.0016z2+0.0042z+0.3651)微波天線中心點距另一端12mm的后向部分分布為1.1264×5.2e-0.2829r(0.00003z3-0.0009z2-0.0117z+0.3692)上述溫度邊界條件的溫度范圍為54-60℃。
本發明的積極效果本發明的熱場組合方法在計算機內建立了以所述六種條件即A)、天線類型條件B)天線數量條件C)天線空間位置條件D)功率條件.E)、不同功率作用的時間條件F)、癌變組織的血流灌注率條件為參數，且滿足溫度邊界條件的有效微波熱場數據庫，該數據庫包括微波凝固熱場的實時三維數據及各相應數據對應的凝固熱場三維圖譜，這種組合熱場的三維實時分布的有效微波熱場數據庫為臨床微波治療腫瘤提供了多種可供選擇的治療方案，并可在臨床治療中根據患者的不同情況選擇最佳治療方案，使產生腫瘤的正常組織損傷小而治療效果好。
本發明的方法適用于各種腫瘤微波導入治療的熱場組合，不同腫瘤只需依據其體模進行模擬測量，得出單根天線的熱場數據，在進行各種條件的組合，求出組合后的實時三維熱場分布。
首先測量并通過組合方程式計算出單根輻射電極在不同輻射功率作用下的實時三維凝固熱場分布；由對離體豬肝進行單極微波輻射預實驗得知單極植入式微波天線在r方向，θ方向呈對稱分布，因而可將SAR求解當作二維問題處理。據此設計

圖1的模擬測量裝置，將厚1.5cm、15×15cm見方、扁的有機玻璃板中心挖空，形成一周邊寬1.5cm的框架20，該框架20剛好放入用來裝體模的D＝15.1cm、高20cm用作支撐罩的有機玻璃圓柱桶21內，采用有機玻璃是因為此種材料對微波熱場無干擾，且透明，可視性好，在有機玻璃框架20的兩個對邊對稱設置一對直徑為1.7mm的導引針通孔22，剛好放入微波引導針，在其右側離中心5mm兩個對邊上下各打5個D＜1mm的拉線通孔24，孔間距離5mm，用1號手術縫合線穿過沿框架20的上下拉線通孔24，形成與微波天線平行間隔5mm的5根拉線25；將所述微波引導針引導微波天線26從導引針通孔22置入框架1內；在框架20內距離微波天線26的一定位置設置測量熱電偶27，熱電偶27采用美國Ω公司生產的直徑為0.003英寸的鐵-康銅熱電偶絲，將所有熱電偶27與所述數據采集器相連，數據采集器與計算機相連，由預實驗可知，由于熱場沿r方向，θ方向呈對稱分布，因而可將SAR求解當作二維問題處理，熱電偶27按圖2進行平面布點，圖3是圖2各點對應的空間坐標值。并按此布點圖分別固定在圖1中的拉線25上，每次布16個點，布好點后，連同微波天線26一同放入圓柱桶21內，將已配制好的肝臟微波體模緩慢坯入，靜置12-24小時，直至體模溫度與室內溫度平衡。在此肝臟微波體模采用四川大學江漢保等研制的微波體模配方，該體模的復介電系數在300-2500MHz范圍，與實際人體肝臟組織的誤差≤5％。測量前檢查冷端溫度，并通過計算機采集微波作用前測量點的溫度，以溫度波動5分鐘內＜0.01℃作為穩態指標。每個能量作用組(60W300s，50W10min，40W30min)分上述16個點進行16-18次測量，3個能量作用組共進行53次測量，每個位點重復5-9次，最后計算取各點的平均值。能量作用分別給予60W300s(每100s間隔10s)，50W10min，40W30min，作用中所述數據采集器以每500ms(60W300s)或1s(40W3min，50W10min)速度連續掃查16個通道，計算機實時記錄，停機后連續觀察，以溫度下降至43℃以下(起始溫度21-24℃)且1分鐘內溫度變化＜1℃為停機的指標，60W作用組一般15-20分鐘達到穩定，50W10分鐘一般30-35分鐘達到穩態，40W30min組一般35-45分鐘達到相對穩態，將所得到數據存入計算機，以做分析用。
由預實驗知單極植入式微波天線在r方向，θ方向呈對稱分布，而Z方向為以微波天線中心點即距天線尖端15mm處為中心非對稱分布。SAR的分布函數方程簡化為SAR＝ρCe-az[X0r3+X1r2+X2r+X3]，故只需測出7個點處溫度的變化，解由7個方程組成的聯立方程組，便可得到分布函數的各項系數。得到SAR/ρc的分布函數，見下表。 在已知密度和比熱時就可以得到整個微波熱場SAR的分布函數。
利用美國ANSYS(V5.5版)有限元分析軟件完成整個基于有限元法的計算過程(包括前處理—空間離散，有限元方程的推導和后處理—進一步參數計算，數據輸出，表格及曲線圖的繪制等)，計算出單導植入式微波凝固治療肝腫瘤的動態三維熱場。
其次，在求得單導的輻射熱場后，即可按下述六個條件及其取值進行組合，求得組合熱場的分布數據庫。
(1)功率條件采用40W、50W、60W三種微波功率。
(2)用于肝癌凝固治療的天線數量條件根據不同腫瘤的大小，可應用的電極數量為1、2、3、4根，分別為單導、雙導、三導、四導。
(3)將肝癌局部組織血流灌注率(Mb)條件分為10級Mb分別為1.5、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0(單位kg/m3·s)。
(4)所用時間條件對應于不同功率，采用不同的時間。
40W——600、900、1200、1800s50W——300、400、500、600、700、800、900s60W——300、400、500、600s(5)天線空間位置條件單導情況略。
雙導(分時雙導和同時雙導)情況下，兩天線間距采用1.0cm、1.2cm、1.5cm、1.6cm、2.0cm。(注分時雙導均采用20s∶20s的分時比，即一根天線作用20s，另一根天線再作用20s)。圖4顯示了兩根天線31和32平行排布作用在腫瘤33上的示意圖。
三導情況下，可分兩種情況，即其中兩電極為分時雙導電極或三個電極同時作用。當其中兩電極為同一微波源的雙導分時電極，即兩電極可以分別作用不同時間，為增加熱凝固效率，另一單電極采用連續作用。為得到較好的治療效果，采用較大凝固范圍的分類雙導分時電極用間距1.5cm、2.0cm，令另一單電極位于以上兩電極連線之中垂線上，間距1.5cm或2.0cm。
四導情況下，可分三種情況，即其中只有兩電極為分時雙導電極或四個電極分別為兩個分時雙導電極或四個電極均為同時作用。當凝固方式為兩兩雙導分時電極作用形成時，可將四電極按方形排列，相鄰電極間距為1.0cm、1.2cm、1.5cm、1.6cm、2.0cm。并采用相鄰電極同時作用的方式。
(6)天線類型條件指天線產生不同形狀凝固熱場對應的不同類型天線，比如產生紡錘型凝固熱場的天線或球形凝固熱場天線。
將以上6種情況進行排列組合，建立計算機模型，并利用有限元分析軟件求出不同條件下的微波凝固熱場。
最后將治療所需的邊界條件進行三維重建后加入所述不同條件下的三維凝固熱場分布的熱場數據庫中，根據經驗得知治療肝癌的較佳溫度邊界條件為54℃和/或60℃，溫度邊界條件確定后就可在計算機內形成六種條件下分別滿足上述溫度邊界條件的有效微波熱場數據庫，該數據庫包括凝固熱場的實時分布數據和對應的凝固熱場三維圖譜，該熱場的實時分布數據即為空間每個點在不同的時間點上的溫度分布數據，在同一時間點上就組成許多54和60度兩個溫度點的等溫曲面。這樣，只需在手術前測量好腫瘤的大小，得到腫瘤邊沿的空間坐標和形態三維圖譜，再測得其血流灌注率，與上述凝固熱場的實時分布數據和對應的已知等溫曲面數據進行對比，就得到幾個與其邊沿的空間坐標相近的熱場，并將腫瘤的形態三維圖譜和幾個近似熱場的三維圖譜進行覆蓋對比，最后確定優選的熱場，該熱場的其他條件如功率條件、天線的數量條件和類型及空間位置條件就直接可知。
更進一步，上述組合求得的有效微波熱場數據庫可以劃分為如下若干數據庫1)熱場數據庫不同參數條件下54攝氏度和60攝氏度等溫面的三維分布數據，包括對應熱場號、x，y，z坐標、溫度、腫瘤血流灌注率、對應方案號。該熱場數據庫內包含有對應的所述凝固熱場三維圖譜2)治療方案數據庫熱場三維分布數據對應的治療方案庫，包括方案號、功率、時間、天線數、天線的空間位置。3)特征數據庫根據以往的病例統計將腫瘤按一定的分類方法做形態分類，大小分級，血流分級，便于歸類比較對比，包括腫瘤形態類別、大小級別和血流灌注率級別。
對于其他類型的腫瘤，只需在模擬測量時選用對應組織的體模進行模擬測量，建立有效微波熱場的其他程序和步驟與肝癌相同。
權利要求
1.一種腫瘤微波介入治療多天線熱場組合方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)、測量并通過組合方程式計算出單根輻射天線在不同輻射功率作用下的實時三維凝固熱場分布；2)、以單根天線的實時三維熱場分布為基礎，對兩根以上天線按下述條件進行排列組合，建立計算機模型，利用有限元分析軟件求出微波不同條件下的三維凝固熱場分布數據庫，所述條件是A)、天線條件B)功率條件C)、不同功率作用的時間條件D)、癌變組織的血流灌注率條件；3)、將治療所需的溫度邊界條件進行三維重建后加入所述不同條件下的三維凝固熱場分布的原始熱場數據庫中，并在計算機內形成所述條件下滿足上述邊界條件的有效微波熱場數據庫，即不同條件參數下的凝固熱場的實時分布數據和對應的凝固熱場三維圖譜。
2.根據權利要求1所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場組合方法，其特征在于所述天線條件包括天線類型條件、天線數量條件、天線空間位置條件。
3.根據權利要求1所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場組合方法，其特征在于上述測量可以是模擬測量，即建立對應組織體模的微波輻射實驗裝置，測出微波場下不同功率、時間和位置的溫度變化，并將實驗數據代入組合方程式；所述組合方程式是指生物傳熱方程與微波輻射能量SAR的分布函數方程；所述生物傳熱方程為ρcdT/dt＝Qr+KΔT-MbCb(T-Tb)＝SAR+KΔT-MbCb(T-Tb)所述微波輻射能量SAR的分布函數方程為SAR＝ρce-az[x0r3+x1r2+x2r+x3][cos(x5θ)+x4]
4.根據權利要求3所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場組合方法，其特征在于所述微波輻射能量SAR的分布函數方程經預實驗得知為如下的平面分布函數SAR＝ρCe-az[X0r3+X1r2+X2r+X3]
5.根據權利要求4所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場組合方法，其特征在于所述實時三維凝固熱場分布對于功率為60W微波輻射的凝固熱場輻射能量SAR/ρc在微波天線中心點距天線尖端15mm的前向部分分布為2.2667×2.9e-0.3164r(-0.0002z3+0.0042z2-0.0344z+0.4864)微波天線中心點距另一端12mm的后向部分分布為2.2667×2.9e-0.3164r(-0.00003z3+0.0013z2-0.0306z+0.4864)
6.根據權利要求4所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場組合方法，其特征在于所述實時三維凝固熱場分布對于功率為50W微波輻射的凝固熱場輻射能量SAR/ρc在微波天線中心點距天線尖端15mm的前向部分分布為1.4903×3.02e-0.3002r(8E-5z3-0.003z2+0.0091z+0.4152)微波天線中心點距另一端12mm的后向部分分布為1.4903×2.98e-0.3002r(4E-5z3-0.0012z2-0.0066z+0.4168)
7.根據權利要求4所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場組合方法，其特征在于所述實時三維凝固熱場分布對于功率為40W微波輻射的凝固熱場輻射能量SAR/ρc在微波天線中心點距天線尖端15mm的前向部分分布為1.1264×5.3e-0.2829r(0.00003z3-0.0016z2+0.0042z+0.3651)微波天線中心點距另一端12mm的后向部分分布為1.1264×5.2e-0.2829r(0.00003z3-0.0009z2-0.0117z+0.3692)
8.根據權利要求1所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場組合方法，其特征在于所述溫度邊界條件的溫度范圍為50-65℃。
9.根據權利要求1或8所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場組合方法，其特征在于所述溫度邊界條件的溫度范圍為54-60℃。
10.根據權利要求9所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場組合方法，其特征在于所述溫度邊界條件為54℃或60℃。
全文摘要
本發明名稱為腫瘤微波介入治療多天線熱場組合方法。本發明屬于多天線微波凝固輻射熱場的組合方法。該方法包括；1)、測量并通過組合方程式計算出單根輻射天線在不同輻射功率作用下的實時三維凝固熱場分布；2)、對兩根以上天線按下述條件進行排列組合，建立計算機模型，利用有限元分析軟件求出微波不同條件下的三維凝固熱場分布數據庫，所述條件是A)、天線條件，B)、功率條件，C)、不同功率作用的時間條件，D)、癌變組織的血流灌注率條件；3)、將治療所需的溫度邊界條進行三維重建后加入所述不同條件下的三維凝固熱場分布的熱場數據庫中，并在計算機內形成所述不同條件參數下的凝固熱場的實時分布數據和對應的凝固熱場三維圖譜。
文檔編號A61B18/18GK1453052SQ0211688
公開日2003年11月5日 申請日期2002年4月24日 優先權日2002年4月24日
發明者董寶瑋, 梁萍, 程志剛, 陳鋼 申請人:董寶瑋